基于改造寬淺游蕩河道的途徑和輸沙流量-土建水利論文

1、基于改造寬淺游蕩河道的途徑和輸沙流量-土建水利論文    摘要摘要：沖積河流的特性取決于流域因素，來自流域的長(zhǎng)期水沙條件，決定了河槽的形態(tài)和比降，及河床組成。不同河流的來水來沙條件組合不同，塑造出不同的河槽形態(tài)和比降，從而決定了水流的強(qiáng)弱，形成不同的輸沙特性，對(duì)于一定的河槽形態(tài)，小水淤積、大水沖洗分界流量是確定的。因此，來水來沙條件組合又決定河道的沖淤特性；不同的河槽形態(tài)對(duì)水流的約束功能不同，又形成不同的演變特性；河床組成的抗沖性和水流的強(qiáng)弱決定了河槽的穩(wěn)定性，因此形成不同的河型。 摘要：游蕩河道 改造途徑 輸沙流量 1 水流塑造河槽，河槽約束水流 沖積

2、河流的特性取決于流域因素，來自流域的長(zhǎng)期水沙條件，決定了河槽的形態(tài)和比降，及河床組成。不同河流的來水來沙條件組合不同，塑造出不同的河槽形態(tài)和比降，從而決定了水流的強(qiáng)弱，形成不同的輸沙特性，對(duì)于一定的河槽形態(tài)，小水淤積、大水沖洗分界流量是確定的。因此，來水來沙條件組合又決定河道的沖淤特性；不同的河槽形態(tài)對(duì)水流的約束功能不同，又形成不同的演變特性；河床組成的抗沖性和水流的強(qiáng)弱決定了河槽的穩(wěn)定性，因此形成不同的河型。河型的不同是多因素綜合的結(jié)果，是河流演變、輸沙特性的集中反映。河道的輸沙特性和演變特性間存在著密切的聯(lián)系，其原因是它們都受河槽形態(tài)的控制。不同河型的主要差別是由于它們具有不同的河槽形態(tài)，

3、具有窄深河槽的河流，不僅輸沙能力強(qiáng)，河道很少淤積，且河勢(shì)受窄深河槽的約束，河道穩(wěn)定，多年坐彎得以累計(jì)，可發(fā)展成彎曲性河流。而具有寬淺河槽的河流，不僅輸沙能力低，河道強(qiáng)烈堆積，且寬淺河槽無法約束洪水期河勢(shì)變化，受局部邊界的影響經(jīng)常產(chǎn)生“橫河”“斜河”，發(fā)生游蕩擺動(dòng)，產(chǎn)生難以預(yù)料的河勢(shì)變化和險(xiǎn)情，對(duì)防洪極為不利。游蕩性河道以寬淺著稱。由于河道寬淺使得河道輸沙能力低；由于河道寬淺無法約束主流，經(jīng)常造成游蕩擺動(dòng)，使平工脫險(xiǎn)，引水困難；由于河道寬淺，整治工程無法布置而難于整治，因此，從防洪、輸沙減淤、河道整治控導(dǎo)河勢(shì)等各方面都?？窗延问幮院拥乐卫沓删哂姓詈硬鄣囊?guī)順的河道。2. 游蕩性河道的形成3，5，

4、6游蕩性河道的形成是流域長(zhǎng)期來水來沙條件功能的結(jié)果。資料統(tǒng)計(jì)表明，當(dāng)進(jìn)進(jìn)河流的水沙搭配用輸沙率Qs和流量Q的指數(shù)關(guān)系表示時(shí)( )。不管多沙或少沙河流，m值小者形成游蕩性河流,m值大者形成彎曲性河流。美國(guó)的一些河流m=34時(shí)，也形成具有窄深河槽( 式中的b=0.00.1)的彎曲性河流。m值的物理意義表示洪、枯水時(shí)的泥沙搭配情況。圖7-1給出黃河主要干支流含沙量和流量間的關(guān)系說明m值的物理意義，圖中的m%26cent;=m-1。當(dāng)各級(jí)流量挾帶的含沙量相等時(shí)，m%26cent;值為零；洪水時(shí)含沙量小于枯水含沙量時(shí)，m%26cent;值小于零；洪水較枯水的含沙量相差越多，m%26cent;值越大。m%

5、26cent;值大者表示河流的泥沙盡大部分靠高含沙洪水輸送，而枯水時(shí)的含沙量很低。m%26cent;值小時(shí)，小水帶大沙，造成河槽強(qiáng)烈淤積，斷面寬淺，輸沙能力低，河床抬高、比降變陡，河道穩(wěn)定性差，久而久之，形成目前的游蕩性河流。而m值大的河流，由于盡大部分泥沙由洪水輸送，通過灘淤槽沖塑造的窄深河槽，輸沙能力強(qiáng)，加之枯水時(shí)含沙量低，河槽不僅不淤還會(huì)產(chǎn)生一定沖洗，使得窄深河槽得以長(zhǎng)期保持，流域注進(jìn)河流的泥沙能夠順利輸送，可保持多年沖淤相對(duì)平衡，形成比降平緩穩(wěn)定的河流，能使小水坐彎得以多年累積，終極發(fā)展成彎曲性河流。游蕩性河流具有比降陡、河槽寬淺、河床組成粗、抗沖能力差和河道輸沙能力低的特征。黃河下游

6、高村以上河段為典型的游蕩河段，造成河段輸沙能力低的主要原因是河槽極為寬淺。渭河、北洛河是黃河中游的主要支流，起源于粗沙產(chǎn)區(qū)。流量比黃河干流小，含沙量比黃河高，河道比降和黃河下游高村以上河段相近，但仍能形成比較穩(wěn)定的彎曲性河流。其主要原因就是其來水來沙比較有利，由m值較大的水沙組成。流域的來沙主要由高含沙洪水挾帶，枯水期流量小，含沙量低，使得高含沙洪水塑造的窄深河槽能夠長(zhǎng)期保持。根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，以日均勻含沙量大于300kg/m3計(jì)，北洛河、渭河由高含沙洪水挾帶的沙量分別為72%和40%，有的年份高含沙洪水挾帶的沙量達(dá)80%90%，如1977年北洛河和渭河的來沙大于300kg/m3分別占89%和71

7、.0%，枯水期含沙量很低常不足1kg/m3，而造成塌灘的低含沙洪水很少發(fā)生。北洛河在2030年內(nèi)才發(fā)生一、二次低含沙洪水。渭河下游低含沙洪水固然發(fā)生的機(jī)會(huì)較多，但對(duì)河槽的破壞功能并不嚴(yán)重，每逢高含沙洪水發(fā)生時(shí)，均可使前期較寬淺的河槽形態(tài)得到調(diào)整，使窄深河槽得以維持。在這樣水沙條件的控制下，形成較為窄深規(guī)順的河槽形態(tài)，經(jīng)常保持高效輸沙狀況。渭河、北洛河下游河道的客觀存在，為我們提供了改造黃河下游河道的實(shí)例，指出了黃河下游河道的治理方向，可作為今后長(zhǎng)期治理的奮斗目標(biāo)。3. 河槽形態(tài)調(diào)整變化不同來水來沙條件的河槽形態(tài)調(diào)整變化表明，枯水大沙淤槽，凈水沖洗塌灘，河槽展寬。洪水灘淤槽沖，尤其是高含沙洪水通

8、過灘地強(qiáng)烈淤積和主槽的強(qiáng)烈沖洗可塑造出適合高含沙洪水輸送的窄深河槽。根據(jù)黃河下游的實(shí)測(cè)資料黃委會(huì)設(shè)計(jì)院得出高村以上河段的水力幾何形態(tài)和來水來沙之間關(guān)系如下3摘要：式中含沙量為kg/m3，流量為m3/s，h為m，v為m/s。圖7-2給出花園口站水面寬、水深和流速值和流量、含沙量間的關(guān)系。圖中包括60年代三門峽下泄凈水、70年代高含沙洪水期和90年代的資料，其中摘要：從圖中的點(diǎn)群分布可知，不同年代的資料集中分布在均勻線的兩側(cè)。在流量相同時(shí)，高含沙洪水期間河寬明顯變小，水深、流速增大。含沙量越低河寬越大，水深、流速越小。這些規(guī)律性的變化，反映了沖積河流的河槽水力幾何形態(tài)，隨著來水來沙組合不同會(huì)發(fā)生相

9、應(yīng)的調(diào)整。從上式可以看出，河槽的水力幾何形態(tài)，不僅和流量有關(guān)，還和含沙量有關(guān)。較全面地反映了游蕩性河槽形態(tài)調(diào)整和來水來沙之間的密切關(guān)系。其河寬B和過水面積和含沙量成反比，和流量成正比，水深、流速和流量、含沙量成正比。在流量相同的條件下，含沙量越高，塑造形成水深、流速越大，輸沙效率越高。由于河寬和含沙量成反比，水深和含沙量成正比，因此高含沙洪水在寬淺游蕩河段輸送時(shí)，必然會(huì)塑造出窄深河槽。4. 塑槽輸沙流量的確定由圖7-3給出的1970年以后進(jìn)進(jìn)下游含沙量大于200kg/m3的五場(chǎng)高含沙洪水均勻含沙量的變化過程可知，在高村以上河段含沙量迅速降低。而在高村以下河段，含沙量沿程變化很小，尤其是艾山到利

10、津近300km長(zhǎng)的河道中，含沙量不僅不減，反而沿程增大。由此可見，高村以上寬淺河段是利用河道輸送高含沙水流進(jìn)海的主要障礙，但若能控制高村以上寬淺河段主槽不淤，通過灘淤槽沖則可塑造有利于輸沙的新河槽。對(duì)高村以上寬淺河道，其輸沙機(jī)理應(yīng)和艾山以下窄深河道相同，但由于河槽形態(tài)不同，水深在斷面上分布極不均勻，而造成輸沙特性的不同。主流區(qū)水深、流速大，進(jìn)進(jìn)高流速區(qū)很輕易達(dá)到不淤的多來多排條件。而在邊灘，水深、流速小，處于低流速區(qū)，阻力大，泥沙強(qiáng)烈淤積，來水的含沙量越大淤得越多，即“多來多淤”，因此形成高村以上寬淺河道的“多來多排”和“多來多淤”的雙重輸沙特性，主槽多輸，灘地多淤，實(shí)測(cè)斷面灘淤槽沖的變化也證

11、實(shí)了這一輸沙特性。根據(jù)對(duì)高村以上河段歷年含沙量較高的洪水期主槽的沖淤條件分析，發(fā)現(xiàn)主槽的沖淤主要和流量大小有關(guān)，和含沙量的關(guān)系不明顯，高含沙洪水對(duì)河床沖洗更強(qiáng)烈，且河床沖洗主要發(fā)生在漲水期。如圖7-4給出的花園口、高村、艾山三站的洪峰流量和洪 水 前 后3000m3/s水位差間關(guān)系表明，當(dāng)洪峰時(shí)段流量為40005000m3/s時(shí)，寬淺河段的主槽基本上都發(fā)生沖洗，利用這級(jí)流量排沙可以基本控制主槽不淤。根據(jù)水深流速間的關(guān)系，控制床面為高輸沙平整床面，所需的主槽均勻單寬流量要大于5m3/s，流速2.0m/s。因邊灘的水深流速小，洪水漫灘必然造成嚴(yán)重淤積，但這種淤積有利于河道的穩(wěn)定和輸沙。從1973年

12、8月和1992年8月持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的高含沙洪水在寬淺河段輸移情況可知，河段的輸沙特性均經(jīng)歷了由淤變沖的過程。如1973年8月的高含沙洪水，在初期含沙量沿程降低，夾河灘以上河段的排沙比只有66%，而在洪水后期，含沙量沿程增大，河段的排沙比達(dá)124%。經(jīng)過210km長(zhǎng)的寬淺河段，到夾河灘站的實(shí)測(cè)含沙量仍能達(dá)444 kg/m3，如圖7-5所示。由此可知，利用歷時(shí)較長(zhǎng)的高含沙洪水輸沙可以進(jìn)步河道的輸沙能力，減少寬河段的淤積。從圖7-6給出的花園口站的斷面形態(tài)變化可知，其輸沙能力變化的主要原因，是高含沙洪水在輸送過程中塑造了窄深河槽，使輸沙能力迅速進(jìn)步。為此水庫(kù)應(yīng)具有較大的調(diào)沙庫(kù)容，對(duì)自然來水來沙進(jìn)行多年

13、調(diào)節(jié)。平枯水年蓄水?dāng)r沙運(yùn)用，下泄凈水發(fā)電；調(diào)沙庫(kù)容淤滿后，利用豐水年水量有余，而小浪底水庫(kù)又無法調(diào)節(jié)利用時(shí)，利用洪水期泄空水庫(kù)進(jìn)行溯源沖洗，排沙流量應(yīng)大于3000m3/s。5. 比降變化對(duì)泥沙輸移的影響比降是河流洪水輸移演進(jìn)的動(dòng)力。比降在沖積河流調(diào)整過程中，不象河槽橫斷面形態(tài)變化那樣劇烈，經(jīng)過一場(chǎng)洪水塑造即可使斷面形態(tài)發(fā)生巨大的變化，從而對(duì)輸沙產(chǎn)生明顯的影響，其變化一般是緩慢的。沖積河流的比降一般是沿程變緩的，呈下凹形，但河流的調(diào)整，往往使得流速沿程變化不明顯，沒有因比降的變緩而使水流的流速降低，而是始終保持某一固定的數(shù)值，甚至沿程增大，和河道比降的變化相反。其調(diào)整的機(jī)制主要是通過河寬的變化，

14、來調(diào)整水深值，從而保持流速始終處于較高的數(shù)值。往往是比降變緩，河寬減小，水深增加，從而使流速不變。表7-1給出黃河下游主槽1973、1977年汛期實(shí)測(cè)流量3000m3/s水深、流速的沿程變化表明，比降由小浪底站的8 ，到艾山以下河段減小到1 ，均勻流速并沒有減小，而是由2.0m/s增加到2.5m/s，因此使得平灘流量的水流挾沙能力沿程不會(huì)降低。渭河下游河道的比降變化也較大1，圖7-7給出耿鎮(zhèn)渭淤13#，比降由4.5 過渡到2.1 ，渭淤13#斷面到渭攔2#斷面，比降由1.72 變緩到0.57 ，由圖中給出的各斷面的形態(tài)可知，水面寬是沿程減小，由上段的700800m，到華陰以下河段減至250m，

15、使得流速沿程不降低。圖7-8給出北洛河下游河道河槽形態(tài)沿程變化也表明同樣的情況2。因此，使河流沿程輸沙特性不因河流比降的變緩而受到影響。從表6-5給出渭河高含沙洪水沿程主槽的沖洗情況說明，隨著比降的變緩，主槽在洪水期沖洗深度，并沒有減弱，而是略有加強(qiáng)。根據(jù)渭河下游、北洛河下游、三門峽庫(kù)區(qū)151場(chǎng)洪水，流量變化范圍505150m3/s，含沙量變化范圍10786kg/m3，比降0.274.50 ，得出的輸沙公式摘要： ,比降的方次僅為0.006，接近于零，對(duì)輸沙的影響很微弱。造成上述輸沙特性當(dāng)然還和含沙量增加、流體粘性增大、沉速大幅度降低、輸送更輕易有關(guān)。從表4-1給出的不同河流的比降的變化范圍可

16、知，幾乎在同一比降條件下，不同河流所以均能達(dá)到輸沙平衡，是由于洪水塑造了不同的河寬。如北洛河主槽寬僅100m，流量200300m3/s的高含沙洪水均可輸送，渭河下游華陰以下，比降不足1 ，河寬僅250m，1000m3/s洪水均可輸送。因此形成大水塑造大的河寬，小水塑造小的河寬，且均可輸送流域的來沙。綜上所述，在沖積河流實(shí)測(cè)比降的變化范圍，看不出對(duì)洪水輸沙的明顯影響。6. 調(diào)水調(diào)沙和河道整治相結(jié)合是改造寬淺游蕩河段的有效途徑早在30年代，德國(guó)著名治河專家恩格斯教授，就指出在游蕩性河道形成中水河槽的重要性。并得到眾人的認(rèn)同。沈怡在評(píng)述各家治河主張時(shí)，對(duì)治理中水河槽給予高度的評(píng)價(jià)。他指出摘要：“由于種種病象均由河無定槽而起，所以假如要治河，必須首先使河槽定”，“無論何人來治河，都必須這樣做”。可見具有河槽的重要。但如何形成中水河槽一直是人們關(guān)心的新題目。也是游蕩性河道治理的關(guān)鍵。通過對(duì)游蕩河道河槽形態(tài)調(diào)整變化規(guī)律探究，我們熟悉到單純用河道整治工程治理游蕩性河道是有困難的。新中國(guó)成立以后，黃河下游整治實(shí)踐說明高村以下河段通過護(hù)灣導(dǎo)流，河道穩(wěn)定，整治獲得成功，然而對(duì)高村以上的寬淺河段，固然也采用同樣的整治辦法，目前的擺動(dòng)范圍固然有所減小，但在洪水期仍經(jīng)常發(fā)生河勢(shì)的忽然變化，造成平工脫險(xiǎn)，給防洪造成被動(dòng)。其主要原因是前者具有窄深河槽，河道輕易控制。而后者河槽極為寬淺散亂，整治工